(57)【要約】【課題】同一フレーム内の画素間又は異なるフレーム間において生成される電荷量が大きく変動する場合においても低ノイズの信号読み出しが可能であり且つ回路構成が複雑化することがない固体撮像装置を実現できるようにする。【解決手段】固体撮像装置は、行列状に形成された複数の画素１１と各画素１１の画素信号を読み出す周辺回路とを備えている。周辺回路は、各画素１１とそれぞれ接続された第１の共通信号線５１及び第２の共通信号線５２と、第２の共通信号線５２に画素信号を読み出す第１の駆動設定と第１の共通信号線５１に画素信号を読み出す第２の駆動設定とを切り替える駆動設定切り替えスイッチ３３とを有している。読み出しトランジスタ２５のゲート端子と第１の共通信号線５１との間の容量値は、読み出しトランジスタ２５のゲート端子と第２の共通信号線５２との間の容量値よりも大きい。【選択図】図２
2007324984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが行列状に形成され、入射光の光量に応じた画素信号を出力する複数の画素及び各画素の画素信号を読み出す周辺回路を備え、
前記各画素は、
前記入射光を光電変換するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードが生成した電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部と、
前記フローティングディフュージョン部を介在して前記フォトダイオードと電気的に接続され、前記フォトダイオードが生成した電荷に応じた電圧を前記画素信号として読み出す読み出しトランジスタとを有し、
前記周辺回路は、
前記各画素における前記読み出しトランジスタの第１のソースドレイン端子と電気的に接続された第１の共通信号線と、
前記各画素における前記読み出しトランジスタの第２のソースドレイン端子と電気的に接続された第２の共通信号線と、
前記第１の共通信号線に電源電位を印加し且つ前記第２の共通信号線に前記画素信号を読み出す第１の駆動設定と、前記第２の共通信号線に電源電位を印加し且つ前記第１の共通信号線に前記画素信号を読み出す第２の駆動設定とを切り替える駆動設定切り替えスイッチとを有し、
前記読み出しトランジスタのゲート端子と前記第１の共通信号線との間の容量値は、前記読み出しトランジスタのゲート端子と前記第２の共通信号線との間の容量値よりも大きいことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記各画素は、所定の色のカラーフィルタをそれぞれ有し、
前記駆動設定切り替えスイッチは、前記画素信号を読み出す画素が有する前記カラーフィルタの色に応じて、前記第１の駆動設定と前記第２の駆動設定とを切り替える回路であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記複数の画素は、第１の色のカラーフィルタを有する第１の画素と、第２の色のカラーフィルタを有する第２の画素と、第３の色のカラーフィルタを有する第３の画素とを複数含み、
前記周辺回路は、あらかじめ第１の駆動設定において、前記複数の第１の画素の少なくとも一部、複数の第２の画素の少なくとも一部及び複数の第３の画素の少なくとも一部に対して、前記画素信号の平均値をそれぞれ求め、求めた平均値を互いに比較し、前記第１の画素の画素信号を読み出す場合、第２の画素の画素信号を読み出す場合及び第３の画素の画素信号を読み出す場合のそれぞれについて、前記比較結果に応じて前記駆動設定切り替えスイッチを駆動して前記第１の駆動設定と前記第２の駆動設定とを切り替える処理部を有していることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記各画素は、前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョン部との間に電気的に接続された転送トランジスタを有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記各画素は、複数の前記フォトダイオード及び前記各フォトダイオードと前記フローティングディフュージョン部との間にそれぞれ電気的に接続された複数の転送トランジスタを有し、
前記駆動設定切り替えスイッチは、前記複数のフォトダイオードの電荷を前記フローティングディフュージョン部において加算して前記画素信号を読み出す場合には、前記第１の駆動設定とし、前記各フォトダイオードの電荷をそれぞれ読み出す場合には、前記第２の駆動設定とする回路であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記各画素は、前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョン部との間に電気的に接続された転送トランジスタをそれぞれ有し、
前記駆動設定切り替えスイッチは、前記フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷を読み出す場合には、前記第１の駆動設定とし、前記フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出す場合には、前記第２の駆動設定とする回路であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記読み出しトランジスタのゲート端子と前記第１のソースドレイン端子間の寄生容量は、前記読み出しトランジスタのゲート端子と前記第２のソースドレイン端子間の寄生容量よりも大きいことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１のソースドレイン端子と前記第１の共通配線とを接続する配線の配線容量は、前記第２のソースドレイン端子と前記第２の共通配線とを接続する配線の配線容量よりも大きいことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記各画素は、前記読み出しトランジスタのゲート端子と前記第１の共通信号線との間に接続された第１の容量素子を有していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記各画素は、前記読み出しトランジスタのゲート端子と前記第１の共通信号線との間に接続された第１の容量素子と、前記読み出しトランジスタのゲート端子と前記第２の共通信号線との間に接続された第２の容量素子とを有し、
前記第１の容量素子の容量値は、前記第２の容量素子の容量値よりも大きいことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記各画素は、前記第１のソースドレイン端子と前記第２の共有信号線との間又は前記第２のソースドレイン端子と前記第２の共有信号線との間に電気的に接続された選択トランジスタを有していることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
それぞれが行列状に形成され、入射光を第１の色の光、第２の色の光及び第３の色の光のいずれか１つに制限するカラーフィルタと、前記入射光を光電変換するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの信号電荷を出力する読み出しトランジスタとを有し、前記読み出しトランジスタのゲート端子と第１のソースドレイン端子との間の容量値がゲート端子と第２のソースドレイン端子との間の容量値よりも大きい複数の画素と、
それぞれが列ごとに形成され前記各読み出しトランジスタの第１のソースドレイン端子と電気的に接続された複数の第１の共通信号線及び第２のソースドレイン端子と電気的に接続された複数の第２の共通信号線とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
前記第１の色の光が入射する画素について、前記第２の共通信号線に電源電位を印加することにより前記信号電荷に対応した信号を前記第１の共通信号線に読み出すステップと、
前記第１の色の光が入射する画素以外の画素について、前記第１の共通信号線に電源電位を印加することにより前記信号電荷に対応した信号を前記第２の共通信号線に読み出すステップとを備えていることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１３】
それぞれが行列状に形成され、入射光を第１の色の光、第２の色の光及び第３の色の光のいずれか１つに制限するカラーフィルタと、前記入射光を光電変換するフォトダイオードと、前記フォトダイオードが生成した信号電荷を出力する読み出しトランジスタとを有し、前記読み出しトランジスタのゲート端子と第１のソースドレイン端子との間の容量値がゲート端子と第２のソースドレイン端子との間の容量値よりも大きい複数の画素と、
それぞれが列ごとに形成され前記各読み出しトランジスタの第１のソースドレイン端子と電気的に接続された複数の第１の共通信号線及び第２のソースドレイン端子と電気的に接続された複数の第２の共通信号線ととを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
前記第１の色の光が入射する画素の少なくとも一部、前記第２の色の光が入射する画素の少なくとも一部及び前記第３の色の光が入射する画素の少なくとも一部について、前記第１の共通信号線に電源電位を印加して前記第２の共通信号線に前記信号電荷に対応したをそれぞれ読み出し、読み出した信号電荷を入射光の色ごとに積算して平均レベルをそれぞれ求めるステップ（ａ）と、
前記ステップ（ａ）において求めた各平均レベルを互いに比較するステップ（ｂ）と、
前記第１の色の光が入射する画素、第２の色の光が入射する画素及び第３の色の光が入射する画素のそれぞれについて、前記ステップ（ｂ）において求めた比較結果に応じて、前記第２の共通信号線に電源電位を印加して前記第１の共通信号線に前記信号電荷に対応した信号を読み出すか又は前記第１の共通信号線に電源電位を印加して前記第２の共通信号線に前記信号電荷に対応した信号を読み出すかを行うステップ（ｃ）とを備えていることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１４】
入射光を光電変換する複数のフォトダイオードと、前記各フォトダイオードが生成した信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部と、前記各フォトダイオードと前記フローティングディフュージョン部との間にそれぞれ接続された複数の転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョン部とゲート端子が接続された読み出しトランジスタとを有し、前記読み出しトランジスタのゲート端子と第１のソースドレイン端子との間の容量値がゲート端子と第２のソースドレイン端子との間の容量値よりも大きい画素と、
前記各読み出しトランジスタの第１のソースドレイン端子と接続された複数の第１の共通信号線及び第２のソースドレイン端子と接続された複数の第２の共通信号線を有する周辺回路とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
前記複数の転送トランジスタのうちの一つを駆動することにより、駆動した転送トランジスタと接続された前記フォトダイオードの信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送するステップ（ａ）と、
前記ステップ（ａ）に続いて、前記第２の共通信号線に電源電位を印加することにより、前記フローティングディフュージョン部に蓄積された信号電荷に対応する信号を前記第１の共通信号線に読み出すステップ（ｂ）と、
前記複数の転送トランジスタのうちの少なくとも２つを駆動することにより、駆動した各転送トランジスタと接続された前記各フォトダイオードの信号電荷を前記フローティングディフュージョン部にそれぞれ転送して加算するステップ（ｃ）と、
前記ステップ（ｃ）に続いて、前記第１の共通信号線に電源電位を印加することにより、前記フローティングディフュージョン部に蓄積された信号電荷に対応する信号を前記第２の共通信号線に読み出すステップ（ｄ）とを備えていることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１５】
入射光を光電変換するフォトダイオードと、前記フォトダイオードが生成した信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部と、前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョン部との間に接続された転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョン部とゲート端子が接続された読み出しトランジスタとを有し、前記読み出しトランジスタのゲート端子と第１のソースドレイン端子との間の容量値がゲート端子と第２のソースドレイン端子との間の容量値よりも大きい画素と、
前記各読み出しトランジスタの第１のソースドレイン端子と接続された複数の第１の共通信号線及び第２のソースドレイン端子と接続された複数の第２の共通信号線を有する周辺回路とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
前記フォトダイオードに信号電荷を生成させ、前記フォトダイオードからオーバーフローした信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に蓄積するステップ（ａ）と、
前記ステップ（ａ）に続いて、前記第１の共通信号線に電源電位を印加することにより、前記フローティングディフュージョン部に蓄積された信号電荷に対応した信号を前記第２の共通信号線に読み出すステップ（ｂ）と、
前記ステップ（ｂ）に続いて、前記転送トランジスタを駆動することにより、前記フォトダイオードの信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送するステップ（ｃ）と、
前記ステップ（ｃ）に続いて、前記第２の共通信号線に電源電位を印加することにより、前記フローティングディフュージョン部に蓄積された信号電荷に対応した信号を前記第１の共通信号線に読み出すステップ（ｄ）と、
前記ステップ（ｂ）において読み出された信号と前記ステップ（ｄ）において読み出された信号とを組み合わせて演算を行いフォトダイオードの信号電荷とフローティングディフュージョン部にオーバーフローする信号電荷の和に対応した信号を検出するステップ（ｅ）とを備えていることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に、光生成電荷信号の読み出しノイズが小さい固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な固体撮像装置は、各画素がフォトダイオード（ＰＤ）とフローティングディフュージョン（ＦＤ）部と読み出しトランジスタとを備えている。ＰＤにより生成した電荷をＦＤ部に転送して電圧信号に変換した後、読み出しトランジスタと外部電流源とにより構成されたソースフォロアアンプを用いて画素信号として出力する。
【０００３】
固体撮像装置をカラー化する場合には、例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）のカラーフィルタをベイヤ配列等の所定の配列となるように各画素に対応するように配置する。カラーフィルタの透過率は、カラーフィルタの色ごとに異なっている。このため、白色光が入射した場合においても、ＰＤが生成する電荷の量は、対応するフィルタの色ごとに異なる。このように画素信号の大きさは、画素が対応するフィルタの色ごとに異なるので、各色ごとの信号のばらつきを補正するために、画素信号をアナログデジタル（ＡＤ）変換した後に利得の調整を行ったり（例えば、特許文献１を参照。）、固体撮像装置にホワイトバランス回路を搭載したり（例えば、非特許文献１を参照。）する必要がある。
【０００４】
また、環境に応じて固体撮像装置の感度を変えたい場合がある。感度を変更するために、複数のＰＤをＦＤ部と接続した構成が提案されている。感度が低くてもよい場合には、ＦＤ部と接続された各ＰＤの電荷を別々に読み出し、感度を高くする場合には、各ＰＤの電荷をＦＤ部において加算して読み出す。この場合にも、電荷を加算する場合と、個々に読み出す場合とでは、信号のレベルがばらつくため、画素信号をＡＤ変換した後に利得の調整を行う必要がある（例えば、非特許文献２を参照。）。
【０００５】
画素信号をアナログデジタル変換した後に利得の調整を行う場合には、小さな信号のノイズ耐性が低く、また、量子化誤差の影響を低減するために高価で消費電力が大きなＡＤ変換器を使う必要がある。また、信号の増幅を後段で行うため、増幅回路までの回路において発生するノイズが増幅されてしまう。さらに、センサにホワイトバランス回路を搭載する場合においても、ホワイトバランス回路までの回路ノイズ、例えば画素の増幅トランジスタの熱ノイズが増幅されてしまうという問題がある。
【０００６】
このような、ノイズが増幅されてしまうという問題を解決するために、ＦＤ変換ゲイン切り替える固体撮像装置が提案されている（例えば、特許文献２を参照。）。この場合には、ＰＤの生成電荷が少ないときはＰＤのみに電荷を蓄積し、ＰＤの生成多いときはＰＤからＦＤ部へオーバーフローした電荷は別途設けられた容量素子に蓄積する。オーバーフローした電荷は容量素子をＦＤ部と接続した状態において電荷電圧変換を行い、ＰＤに蓄積した電荷は、容量素子をＦＤ部から切り離した状態において電荷電圧変換を行う。この結果、電荷量が小さくＰＤのみに蓄積された信号も、電荷量が多くＰＤからオーバーフローして容量素子に蓄積された信号も画素出力電圧としては同等にできる。この固体撮像素子では面内で暗い領域と明るい領域が両方がある場合、すなわち入射光のダイナミックレンジが広い場合に有効である。
【特許文献１】特開２００４−２４１４９８号公報
【特許文献２】特開２００５−３２８４９３号公報
【非特許文献１】原他、“携帯機器向けカラー人工網膜ＬＳＩ”、三菱電機技報、２００１年、７５巻、ｐ．１９２−１９５
【非特許文献２】H.Takahashi 他、"A 3.9um Pixel Pitch VGA Format 10b Digital Image Sensor with 1.5-Transistor/Pixel"、 ISSCC2004 Technical Digest、 ２００４年、ｐ．１０８−１０９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来のＦＤ変換ゲインを切り替える固体撮像装置は、後段のノイズの影響を解決できるが、素子数及び制御配線数が多くなるため回路が複雑化し、コストが上昇すると共に装置を小型化することが困難であるという問題がある。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題を解決し、同一フレーム内の画素間又は異なるフレーム間において生成される電荷量が大きく変動する場合においても低ノイズの信号読み出しが可能であり且つ回路構成が複雑化することがない固体撮像装置を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記従来の目的を達成するため、本発明は固体撮像装置をフローティングディフュージョン部の実効的な容量値を切り替え可能な構成とする。
【００１０】
具体的に、本発明に係る固体撮像装置は、固体撮像装置は、それぞれが行列状に形成され、入射光の光量に応じた画素信号を出力する複数の画素及び各画素の画素信号を読み出す周辺回路を備え、各画素は、入射光を光電変換するフォトダイオードと、フォトダイオードが生成した電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部と、フローティングディフュージョン部を介在してフォトダイオードと電気的に接続され、フォトダイオードが生成した電荷に応じた電圧を画素信号として読み出す読み出しトランジスタとを有し、周辺回路は、各画素における読み出しトランジスタの第１のソースドレイン端子と電気的に接続された第１の共通信号線と、各画素における読み出しトランジスタの第２のソースドレイン端子と電気的に接続された第２の共通信号線と、第１の共通信号線に電源電位を印加し且つ第２の共通信号線に画素信号を読み出す第１の駆動設定と、第２の共通信号線に電源電位を印加し且つ第１の共通信号線に画素信号を読み出す第２の駆動設定とを切り替える駆動設定切り替えスイッチとを有し、読み出しトランジスタのゲート端子と第１の共通信号線との間の容量値は、読み出しトランジスタのゲート端子と第２の共通信号線との間の容量値よりも大きいことを特徴とする。
【００１１】
本発明の固体撮像装置によれば、読み出しトランジスタのゲート端子と第１の共通信号線との間の容量値は、読み出しトランジスタのゲート端子と第２の共通信号線との間の容量値よりも大きいため、第１の共通信号線を出力線とした場合と第２の共通信号線を出力線とした場合とで、フローティングディフュージョン部の実効的な容量値を変更することができる。従って、電荷電圧変換ゲイン（ＦＤ変換ゲイン）を容易に変更することができるので、電荷の量が大きく異なる場合にも、出力レベルをそろえることができる。その結果、後段においてレベル調整のための増幅を行う必要がなくなり、固体撮像装置のノイズを低減することが可能となる。
【００１２】
本発明の固体撮像装置において、各画素は、所定の色のカラーフィルタをそれぞれ有し、駆動設定切り替えスイッチは、画素信号を読み出す画素が有するカラーフィルタの色に応じて、第１の駆動設定と第２の駆動設定とを切り替える回路であることが好ましい。このような構成とすることにより、カラーフィルタの色によって光電変換効率が大きく異なる場合に、各色の画素の出力レベルをそろえることができるので、後段におけるレベル調整のための増幅が不要となる。
【００１３】
本発明の固体撮像装置において、複数の画素は、第１の色のカラーフィルタを有する第１の画素と、第２の色のカラーフィルタを有する第２の画素と、第３の色のカラーフィルタを有する第３の画素とを複数含み、周辺回路は、あらかじめ第１の駆動設定において、複数の第１の画素の少なくとも一部、複数の第２の画素の少なくとも一部及び複数の第３の画素の少なくとも一部について、画素信号の平均値をそれぞれ求め、求めた平均値を互いに比較し、第１の画素の画素信号を読み出す場合、第２の画素の画素信号を読み出す場合及び第３の画素の画素信号を読み出す場合のそれぞれについて、比較結果に応じて駆動設定切り替えスイッチを駆動して第１の駆動設定と第２の駆動設定とを切り替える処理部を有していることが好ましい。このような構成とすることにより、各色の画素の出力レベルが大きく異なる場合に、ＦＤ変換ゲインを切り替えることができるため、被写体照明の色温度が大きく変化する場合に、各色の信号値の差が大きくなることを回避できる。
【００１４】
本発明の固体撮像装置において、各画素は、フォトダイオードとフローティングディフュージョン部との間に電気的に接続された転送トランジスタを有していることが好ましい。
【００１５】
本発明の固体撮像装置において、各画素は、複数のフォトダイオード及び各フォトダイオードとフローティングディフュージョン部との間にそれぞれ電気的に接続された複数の転送トランジスタをそれぞれ有し、駆動設定切り替えスイッチは、フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷を読み出す場合には、第１の駆動設定とし、フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出す場合には、第２の駆動設定とする回路であることが好ましい。このような構成とすることにより、画素に含まれる複数のフォトダイオードの電荷を別々に読み出す場合にも、まとめて読み出す場合にも最適なＦＤ変換ゲインにより読み出すことができる。
【００１６】
本発明の固体撮像装置において、各画素は、フォトダイオードとフローティングディフュージョン部との間に電気的に接続された転送トランジスタをそれぞれ有し、駆動設定切り替えスイッチは、フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷を読み出す場合には、第１の駆動設定とし、フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出す場合には、第２の駆動設定とする回路であることが好ましい。このような構成とすることにより、広いダイナミックレンジの信号を低ノイズに得ることができる。
【００１７】
本発明の固体撮像装置において、読み出しトランジスタのゲート端子と第１のソースドレイン端子間の寄生容量は、読み出しトランジスタのゲート端子と第２のソースドレイン端子間の寄生容量よりも大きいことが好ましい。
【００１８】
本発明の固体撮像装置において、第１のソースドレイン端子と第１の共通配線とを接続する配線の配線容量は、第２のソースドレイン端子と第２の共通配線とを接続する配線の配線容量よりも大きいことが好ましい。
【００１９】
本発明の固体撮像装置において、各画素は、読み出しトランジスタのゲート端子と第１の共通信号線との間に接続された第１の容量素子を有していることが好ましい。
【００２０】
本発明の固体撮像装置において、各画素は、読み出しトランジスタのゲート端子と第１の共通信号線との間に接続された第１の容量素子と、読み出しトランジスタのゲート端子と第２の共通信号線との間に接続された第２の容量素子とを有し、第１の容量素子の容量値は、第２の容量素子の容量値よりも大きいことが好ましい。
【００２１】
本発明の固体撮像装置において、各画素は、前記第１のソースドレイン端子と前記第２の共有信号線との間又は第２のソースドレイン端子と第２の共有信号線との間に電気的に接続された選択トランジスタを有していることが好ましい。
【００２２】
本発明に係る第１の固体撮像装置の駆動方法は、それぞれが行列状に形成され、入射光を第１の色の光、第２の色の光及び第３の色の光のいずれか１つに制限するカラーフィルタと、入射光を光電変換するフォトダイオードと、フォトダイオードの信号電荷を出力する読み出しトランジスタとを有し、読み出しトランジスタのゲート端子と第１のソースドレイン端子との間の容量値がゲート端子と第２のソースドレイン端子との間の容量値よりも大きい複数の画素と、それぞれが列ごとに形成され各読み出しトランジスタの第１のソースドレイン端子と電気的に接続された複数の第１の共通信号線及び第２のソースドレイン端子と電気的に接続された複数の第２の共通信号線とを備えた固体撮像装置の駆動方法を対象とし、第１の色の光が入射する画素について、第２の共通信号線に電源電位を印加することにより信号電荷に対応した信号を第１の共通信号線に読み出すステップと、第１の色の光が入射する画素以外の画素について、第１の共通信号線に電源電位を印加することにより信号電荷に対応した信号を第２の共通信号線に読み出すステップとを備えていることを特徴とする。
【００２３】
第１の固体撮像装置の駆動方法によれば、第１の色の光が入射する画素について、第２の共通信号線に電源電位を印加することにより信号電荷を第１の共通信号線に読み出すステップと、第１の色の光が入射する画素以外の画素について、第１の共通信号線に電源電位を印加することにより信号電荷を第２の共通信号線に読み出すステップとを備えているため、光電変換効率が低い色の画素と、光電変換効率が高い色の画素との間の各色の画素の出力レベルをそろえることができる。従って、低ノイズの読み出しが可能となる。
【００２４】
第２の固体撮像装置の駆動方法は、それぞれが行列状に形成され、入射光を第１の色の光、第２の色の光及び第３の色の光のいずれか１つに制限するカラーフィルタと、入射光を光電変換するフォトダイオードと、フォトダイオードが生成した信号電荷を出力する読み出しトランジスタとを有し、読み出しトランジスタのゲート端子と第１のソースドレイン端子との間の容量値がゲート端子と第２のソースドレイン端子との間の容量値よりも大きい複数の画素と、それぞれが列ごとに形成され各読み出しトランジスタの第１のソースドレイン端子と電気的に接続された複数の第１の共通信号線及び第２のソースドレイン端子と電気的に接続された複数の第２の共通信号線ととを備えた固体撮像装置の駆動方法を対象とし、第１の色の光が入射する画素の少なくとも一部、第２の色の光が入射する画素の少なくとも一部及び第３の色の光が入射する画素の少なくとも一部について、第１の共通信号線に電源電位を印加して第２の共通信号線に信号電荷に対応したをそれぞれ読み出し、読み出した信号電荷を入射光の色ごとに積算して平均レベルをそれぞれ求めるステップ（ａ）と、ステップ（ａ）において求めた各平均レベルを互いに比較するステップ（ｂ）と、第１の色の光が入射する画素、第２の色の光が入射する画素及び第３の色の光が入射する画素のそれぞれについて、ステップ（ｂ）において求めた比較結果に応じて、第２の共通信号線に電源電位を印加して第１の共通信号線に信号電荷に対応した信号を読み出すか又は第１の共通信号線に電源電位を印加して第２の共通信号線に信号電荷に対応した信号を読み出すかを行うステップ（ｃ）とを備えていることを特徴とする。
【００２５】
本発明に係る第２の固体撮像装置の駆動方法は、比較結果に応じて、第２の共通信号線に電源電位を印加して第１の共通信号線に信号電荷に対応した信号を読み出すか又は第１の共通信号線に電源電位を印加して第２の共通信号線に信号電荷に対応した信号を読み出すかを行うステップを備えているため、各色の画素の出力レベルが大きく異なる場合に、ＦＤ変換ゲインを切り替えることができる。従って、被写体照明の色温度が大きく変化する場合に、各色の信号値の差が大きくなることを回避することが可能となる。
【００２６】
本発明に係る第３の固体撮像装置の駆動方法は、入射光を光電変換する複数のフォトダイオードと、各フォトダイオードが生成した信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部と、各フォトダイオードとフローティングディフュージョン部との間にそれぞれ接続された複数の転送トランジスタと、フローティングディフュージョン部とゲート端子が接続された読み出しトランジスタとを有し、読み出しトランジスタのゲート端子と第１のソースドレイン端子との間の容量値がゲート端子と第２のソースドレイン端子との間の容量値よりも大きい画素と、各読み出しトランジスタの第１のソースドレイン端子と接続された複数の第１の共通信号線及び第２のソースドレイン端子と接続された複数の第２の共通信号線を有する周辺回路とを備えた固体撮像装置の駆動方法を対象とし、複数の転送トランジスタのうちの一つを駆動することにより、駆動した転送トランジスタと接続されたフォトダイオードの信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送するステップ（ａ）と、ステップ（ａ）に続いて、第２の共通信号線に電源電位を印加することにより、フローティングディフュージョン部に蓄積された信号電荷に対応する信号を第１の共通信号線に読み出すステップ（ｂ）と、複数の転送トランジスタのうちの少なくとも２つを駆動することにより、駆動した各転送トランジスタと接続された各フォトダイオードの信号電荷をフローティングディフュージョン部にそれぞれ転送して加算するステップ（ｃ）と、ステップ（ｃ）に続いて、第１の共通信号線に電源電位を印加することにより、フローティングディフュージョン部に蓄積された信号電荷に対応する信号を第２の共通信号線に読み出すステップ（ｄ）とを備えていることを特徴とする。
【００２７】
第３の固体撮像装置の駆動方法によれば、複数のフォトダイオードのうちの一つに対応する信号を第１の共通信号線に読み出すステップと、複数のフォトダイオードのうちの少なくとも２つに対応する信号を第２の共通信号線に読み出すステップ備えているため、各フォトダイオードの電荷を別々に読み出す場合と、複数のフォトダイオードの電荷を混合して読み出す場合とにおいてＦＤ変換ゲインを切り替えることができる。従って、どちらの動作においても最適な画素信号の読み出しが可能となるので、低ノイズの固体撮像装置が実現できる。
【００２８】
本発明に係る第４の固体撮像装置の駆動方法は、入射光を光電変換するフォトダイオードと、フォトダイオードが生成した信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部と、フォトダイオードとフローティングディフュージョン部との間に接続された転送トランジスタと、フローティングディフュージョン部とゲート端子が接続された読み出しトランジスタとを有し、読み出しトランジスタのゲート端子と第１のソースドレイン端子との間の容量値がゲート端子と第２のソースドレイン端子との間の容量値よりも大きい画素と、各読み出しトランジスタの第１のソースドレイン端子と接続された複数の第１の共通信号線及び第２のソースドレイン端子と接続された複数の第２の共通信号線を有する周辺回路とを備えた固体撮像装置の駆動方法を対象とし、フォトダイオードに信号電荷を生成させ、フォトダイオードからオーバーフローした信号電荷をフローティングディフュージョン部に蓄積するステップ（ａ）と、ステップ（ａ）に続いて、第１の共通信号線に電源電位を印加することにより、フローティングディフュージョン部に蓄積された信号電荷に対応した信号を第２の共通信号線に読み出すステップ（ｂ）と、ステップ（ｂ）に続いて、転送トランジスタを駆動することにより、フォトダイオードの信号電荷をフローティングディフュージョン部に転送するステップ（ｃ）と、ステップ（ｃ）に続いて、第２の共通信号線に電源電位を印加することにより、フローティングディフュージョン部に蓄積された信号電荷に対応した信号を第１の共通信号線に読み出すステップ（ｄ）と、ステップ（ｂ）において読み出された信号とステップ（ｄ）において読み出された信号とを組み合わせて演算を行いフォトダイオードの信号電荷とフローティングディフュージョン部にオーバーフローする信号電荷の和に対応した信号を検出するステップ（ｅ）とを備えていることを特徴とする。
【００２９】
第４の固体撮像装置の読み出し方法によれば、信号を組み合わせて演算を行いフォトダイオードの信号電荷とフローティングディフュージョン部にオーバーフローする信号電荷の和に対応した信号を検出するステップを備えているため、少量の電荷を読み出すときにはＦＤ変換ゲインを大きく、大量の電荷を読み出すときにはＦＤ変換ゲインを小さくできる。従って広いダイナミックレンジの信号を低ノイズに得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る固体撮像装置によれば、同一フレーム内の画素間又は異なるフレーム間において生成される電荷量が大きく変動する場合においても低ノイズの信号読み出しが可能であり且つ回路構成が複雑化することがない固体撮像装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は第１の実施形態に係る発明の固体撮像装置のブロック構成を示している。図１に示すように固体撮像装置は、複数の画素が行列状に配置された画素アレイ１０と、画素アレイ１０の画素を駆動し、画素アレイに含まれる各画素から画素信号を読み出す周辺回路７０とを備えている。周辺回路７０は、画素アレイ１０の読み出しを行う行を選択する垂直シフトレジスタ１２と、画素信号読み出し時に駆動電位を供給するとともに画素信号を読み出す画素駆動回路１３と、画素信号に含まれる画素ごとのばらつき成分をキャンセルするとともに、その信号を保持するノイズキャンセル回路１４と、ノイズキャンセル回路１４に保持された信号の中から水平シフトレジスタ１６により選択された列に対応する信号を順次読み出し出力アンプ１７に送るマルチプレクサ１５と、マルチプレクサ１５から送られた信号を増幅して外部に出力する出力アンプ１７とを有している。
【００３２】
図２は画素アレイを構成する１つの画素１１と１列分の画素駆動回路１３及びノイズキャンセル回路１４との回路構成を示している。
【００３３】
画素１１は、光電変換を行い電荷を生成するフォトダイオード（ＰＤ）２１と、ＰＤ２１が生成した電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン（ＦＤ）部２３とＦＤ部２３の電位に応じた信号を読み出す読み出しトランジスタ２５とを有している。ＰＤ２１とＦＤ部２３との間には、ゲートが電荷転送信号線５６と接続され、電荷転送信号により制御される転送トランジスタ２２が接続されている。ＦＤ部２３は、画素リセット信号線５７と接続されリセット信号により制御されるリセットトランジスタ２４を介してリセット線５９と接続されている。読み出しトランジスタ２５の第１のソースドレイン端子は第１の共通信号線５１と接続され、第２のソースドレイン端子は選択トランジスタ２６を介して第２の共通信号線５２と接続されている。選択トランジスタ２６は、ゲート端子が画素選択信号線５８と接続されており画素選択信号によって制御される。読み出しトランジスタ２５のゲートと第１の共通信号線５１との間には容量素子２７が接続されている。
【００３４】
画素駆動回路１３は、第１の共通信号線５１及び第２の共通信号線５２と接続された駆動設定切り替えスイッチ３３と読み出しトランジスタ２５をソースフォロア回路として駆動する電流源３５とを有している。駆動設定切り替えスイッチ３３は、駆動スイッチ信号線５４と接続され、駆動スイッチ信号により第１の共通信号線５１が画素駆動線５５と接続され第２の共通信号線５２が電流源３５と接続される第１の駆動設定と、第１の共通信号線５１が電流源３５と接続され第２の共通信号線５２が画素駆動線５５と接続される第２の駆動設定とを切り替える。また、第１の駆動設定の際には、第２の共通信号線５２が画素信号読み出し端子６０と接続され、第２の駆動設定の際には、第１の共通信号線５１が画素信号読み出し端子６０と接続される。
【００３５】
ノイズキャンセル回路１４は、一方の端子が画素駆動回路１３の画素信号読み出し端子６０と接続されたクランプ容量素子４６と、クランプ容量素子４６の他方の端子と接地との間に接続されたサンプルホールド（ＳＨ）容量素子４７と、クランプ容量素子４６の他方の端子とクランプ線６７との間に接続され、クランプスイッチ線６５とゲート端子とが接続され、クランプスイッチ信号により制御されるクランプスイッチ４８とを有している。
【００３６】
図３（ａ）及び（ｂ）は図２に示す回路の駆動設定切り替えスイッチ３３を第１の駆動設定とした場合及び第２の駆動設定とした場合の等価回路をそれぞれ示している。
【００３７】
駆動設定切り替えスイッチ３３を第１の駆動設定とした場合には、図３（ａ）に示すように第１の共通信号線５１が画素駆動線５５と接続されるため、読み出しトランジスタ２５の第１のソースドレイン端子は駆動電位に固定される。従って容量素子２７はＦＤ部２３と一体となり、ＦＤ部２３の容量値をＣｆｄ、容量素子２７の容量をＣとすると、実効的なＦＤ部の容量値はＣｆｄ＋Ｃとなる。従ってＰＤ２１から転送された電荷を電位に変換する電荷電圧変換ゲイン（ＦＤ変換ゲイン）は１／（Ｃｆｄ＋Ｃ）となる。
【００３８】
一方、駆動設定切り替えスイッチ３３を第２の駆動設定とした場合には、図３（ｂ）に示すように第１の共通信号線５１は、ソースフォロアアンプの出力側となるため、読み出しトランジスタ２５の第１のソースドレイン端子はＦＤ部２３の電位に追従して変動する。従って容量素子２７は、ＦＤ部２３として機能せず、実効的なＦＤ部の容量値はほぼＣｆｄとなる。厳密にはＣｆｄ＋βＣ（β＜１）となるが、βＣの値は十分小さく無視できるため、説明を簡略化するためにβＣは省略する。その結果、ＰＤ２１から転送された電荷を電位に変換するＦＤ変換ゲインは１／Ｃｆｄとなる。
【００３９】
以上のように、第２の駆動設定の場合には第１の駆動設定の場合と比べてＦＤ変換ゲインが大きくなり、高感度の読み出しが可能となる。
【００４０】
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の動作を図面を参照して説明する。図４（ａ）及び（ｂ）は本実施形態の固体撮像装置の動作タイミングであり、（ａ）は駆動設定切り替えスイッチ３３が第１の駆動設定の場合を示し、（ｂ）は駆動設定切り替えスイッチ３３が第２の駆動設定の場合を示す。なお、以下においては、固体撮像装置が、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）のカラーフィルタを有する原色ベイヤ配列を構成しており、青色の光を受光するＢ画素の感度が赤色の光を受光するＲ画素及び緑色の光を受光するＧ画素の感度よりも低い場合について説明する。
【００４１】
Ｒ画素及びＧ画素の読み出しを行う場合には、図４（ａ）に示すように駆動スイッチ信号線５４の電位をハイ（Ｈ）レベルとして、駆動設定切り替えスイッチ３３を第１の駆動設定とする。これにより、第１の共通信号線５１が画素駆動線５５と接続され、第２の共通信号線５２が電流源３５及び画素信号読み出し端子６０と接続される。これによりＦＤ変換ゲインは１／（Ｃｆｄ＋Ｃ）となり低感度の読み出し状態となる。
【００４２】
この状態において、タイミングｔ１では画素リセット信号線５７の電位をＨレベルとして、ＦＤ部２３をリセット線５９の電位であるＶｒｓｔにリセットする。同時に、画素選択信号線５８の電位をＨレベルとして、読み出しトランジスタ２５と電流源３５とからなるソースフォロアアンプを形成することにより、Ｖｒｓｔ−Ｖｔｈの電位が画素信号読み出し端子６０に出力される（厳密にはＶｒｓｔ−Ｖｔｈ−αとなるが、説明を簡略化するためにαは省略する。）。また、クランプスイッチ線６５の電位をＨレベルとして、サンプルホールド（ＳＨ）端子６１の電位をクランプ線６７の電位であるクランプ電位Ｖｃｌに設定する。
【００４３】
次にタイミングｔ２では画素リセット信号線５７の電位をロー（Ｌ）レベルとする。
【００４４】
次に、タイミングｔ３ではクランプスイッチ線６５の電位をＬレベルとして、ＳＨ端子６１をフローティング状態とする。同時に、電荷転送信号線５６をＨレベルとして、ＰＤ２１に蓄積された電荷をＦＤ部２３に転送される。その結果、ＦＤ部２３の電位はＶｒｓｔ−ΔＶ１となり、画素信号読み出し端子６０の電位はＶｒｓｔ−Ｖｔｈ−ΔＶ１に低下する。ΔＶ１の値は、ＰＤ２１に蓄積された電荷をＱｐｄとすると、Ｑｐｄ／（Ｃｆｄ＋Ｃ）となる。この電位低下の影響により、クランプ容量素子４６を介してＳＨ端子６１の電位もＶｃｌからＶｃｌ−ΔＶ１に低下する。なお、厳密な電位低下量を求めるためにはクランプ容量素子とＳＨ容量素子の容量値によって決まる係数をかける必要があるが、説明の簡略化のためにこの係数は１とする。ＳＨ端子６１の電位を外部に読み出し、暗時の出力Ｖｃｌとの差分を検出することにより、第１の駆動設定における画素信号を読み出すことができる。
【００４５】
一方、Ｂ画素の読み出しを行う場合には、図４（ｂ）に示すように駆動スイッチ信号線５４の電位をＬレベルとして、駆動設定切り替えスイッチ３３を第２の駆動設定とする。これにより第１の共通信号線５１が電流源３５及び画素信号読み出し端子６０と接続され、第２の共通信号線５２が画素駆動線５５と接続される。これによりＦＤ変換ゲインは１／Ｃｆｄとなり、高感度の読み出し状態となる。
【００４６】
この状態において、タイミングｔ１では画素リセット信号線５７の電位をＨレベルとして、ＦＤ部２３をＶｒｓｔにリセットする。同時に、画素選択信号線５８の電位をＨレベルとして、読み出しトランジスタ２５と電流源３５とからなるソースフォロアアンプを形成することにより、Ｖｒｓｔ−Ｖｔｈの電位を画素信号読み出し端子６０に出力する（厳密にはＶｒｓｔ−Ｖｔｈ−αとなるが、説明を簡略化するためにαは省略する。）。また、クランプスイッチ線６５の電位をＨレベルとして、ＳＨ端子６１の電位をクランプ電位Ｖｃｌに設定する。
【００４７】
次に、タイミングｔ２では画素リセット信号線５７の電位をＬレベルとする。次に、タイミングｔ３ではクランプスイッチ線６５の電位をＬレベルとして、ＳＨ端子６１をフローティング状態とする。同時に、電荷転送信号線５６をＨレベルとして、ＰＤ２１に蓄積された電荷をＦＤ部２３に転送する。その結果、ＦＤ部２３の電位はＶｒｓｔ−ΔＶ２となり、画素信号読み出し端子６０の電位はＶｒｓｔ−Ｖｔｈ−ΔＶ２に低下する。ΔＶ２の値は、ＰＤ２１に蓄積された電荷をＱｐｄとすると、Ｑｐｄ／Ｃｆｄとなる。この電位低下の影響により、クランプ容量素子４６を介してＳＨ端子６１の電位もＶｃｌからＶｃｌ−ΔＶ２に低下する。ＳＨ端子６１の電位を外部に読み出し、暗時の出力Ｖｃｌとの差分を検出することにより、第２の駆動設定における画素信号を読み出すことができる。
【００４８】
すべての色の画素のＦＤ変換ゲインが固定の場合には、Ｂ画素の出力信号が小さくなり後段において増幅が必要になる。後段において信号を増幅すると、読み出しトランジスタの熱雑音等も増幅されるためノイズが増加する。これに対し、本実施形態の固体撮像装置は、光電変換効率が低いＢ画素を読み出す際にＦＤ変換ゲインを大きくするため、Ｒ画素及びＧ画素とＢ画素との出力信号の大きさはほぼ同等になる。このため、後段において信号を増幅する必要がなく、低ノイズの信号読み出しが実現できる。なお、ここではＢ画素の光電変換効率が低い場合を例に説明したが、他の画素の光電変換効率が低い場合でも同様である。
【００４９】
本実施形態の固体撮像装置は、図２に示すように読み出しトランジスタ２５のゲート端子と第１のソースドレイン端子との間に容量素子２７を接続したが、ゲート端子と第１のソースドレイン端子との間及びゲート端子と第２のソースドレイン端子との間に容量値が異なる容量素子をそれぞれ接続してもよい。また、ゲート端子と第１のソースドレイン端子との間の容量値と、ゲート端子と第２のソースドレイン端子との間の容量値とに差を設けられればよく、例えば寄生容量又は配線容量の値が異なるようにデバイス構造及び配線レイアウト等を設計してもよい。
【００５０】
また、図５に示すように転送トランジスタ２２を備えていない画素構成としても、同様に色ごとにＦＤ変換ゲインを切り替えることができる。
【００５１】
（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。図６は第２の実施形態に係る固体撮像装置のブロック構成を示している。図６において図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
【００５２】
図６に示すように本実施形態の固体撮像装置は、周辺回路７０が、駆動スイッチ３３の制御を行う処理部７１を有している。処理部７１は、出力アンプ１７が増幅した画素信号をデジタル値に変換するアナログデジタル（ＡＤ）変換器７２と、ＡＤ変換器７２の出力を積算し平均値を出力する積算部７３と、積算部７３の出力に応じて駆動設定切り替えスイッチ３３を制御する、駆動制御部７４とを備えている。
【００５３】
以下に、駆動設定切り替えスイッチ３３の切り替え方法を説明する。まず、最初はＲ画素、Ｇ画素及びＢ画素のすべてについて駆動設定切り替えスイッチ３３を第１の駆動設定としてＦＤ変換ゲインが小さい状態において画素信号の読み出しを行う。次に、読み出した画素信号を積算回路７３により画素の色ごとに積算して平均値を求める。得られたＲ画素の画素信号の平均値、Ｇ画素の画素信号の平均値及びＢ画素の画素信号の平均値を互いに比較する。得られたＲ画素の画素信号の平均値及びＢ画素の画素信号の平均値をそれぞれＧ画素の画素信号の平均値と比較し、次の式１の条件を満足するときには、次のフレームより駆動設定切り替えスイッチ３３を第２の駆動設定としてＦＤ変換ゲインが大きい状態において画素信号の読み出しを行う。
ＳｉｇRB／ＳｉｇG＜１／（１＋０．５×（（Ｇ２／Ｇ１）−１））・・・式１
但し、ＳｉｇRBは、Ｒ画素の画素信号の平均値又はＢ画素の画素信号の平均値、ＳｉｇGはＧ画素の画素信号の平均値、Ｇ1は第１の駆動設定におけるＦＤ変換ゲイン、Ｇ2は第２の駆動設定におけるＦＤ変換ゲインである。
【００５４】
一方、式１を満足しない場合には、駆動設定切り替えスイッチ３３を第１の駆動設定としてＦＤ変換ゲインが小さい状態において画素信号の読み出しを行う。
【００５５】
本実施形態の固体撮像装置は、被写体照明の色温度が大きく変化する場合に、各色の信号値の差が大きくなることを回避でき、低ノイズの読み出しに有効である。
【００５６】
なお、本実施形態においては画素信号の平均値を求める際に、同色の画素の画素信号をすべて積算する例を示したが、一部の画素についてのみ積算して平均値を求めてもよい。
【００５７】
（第３の実施形態）
以下に、本発明の第３の実施形態について図面を参照して説明する。図７は第３の実施形態に係る固体撮像装置の１つの画素１１及び１列分の画素駆動回路１３の回路構成を示している。図７において図２と同一の構成要素については同一の符号を附すことにより説明を省略する。
【００５８】
図７に示すように本実施形態の固体撮像装置の画素は、第１のＰＤ２１Ａ及び第１の転送トランジスタ２２Ａと、第２のＰＤ２１Ｂ及び第２の転送トランジスタ２２Ｂと、第３のＰＤ２１Ｃ及び第３の転送トランジスタ２２Ｃと、第４のＰＤ２１Ｄ及び第４の転送トランジスタ２２Ｄとを有している。第１の転送トランジスタ２２Ａ〜第４の転送トランジスタ２２Ｄの各ゲート端子は、それぞれ第１の電荷転送信号線５６Ａ〜第４の電荷転送信号線５６Ｄと接続されている。
【００５９】
本実施形態の固体撮像装置は、必要とする感度に応じて各ＰＤの電荷を別々に画素信号として読み出す駆動と、複数のＰＤの電荷をまとめて画素信号として読み出す駆動とを行う。
【００６０】
各ＰＤの電荷を別々に読み出す場合には、駆動設定切り替えスイッチ３３を第２の駆動設定として、第１の共通信号線５１と電流源３５及び画素信号読み出し端子６０とを接続し、第２の共通信号線５２と画素駆動線５５とを接続する。この状態において、例えば第１の電荷転送信号線５６Ａの電位をＨレベルとして第１のＰＤ２１Ａに蓄積した電荷Ｑｐｄ１をＦＤ部２３に転送する。駆動設定が第２の駆動設定であるため、実効的なＦＤ部の容量値はＣｆｄとなり、ＦＤ変換ゲインは１／Ｃｆｄである。
【００６１】
一方、複数のＰＤの電荷をまとめて読み出す場合には、駆動設定切り替えスイッチ３３を第２の駆動設定として、第２の共通信号線５２と電流源３５及び画素信号読み出し端子６０とを接続し、第１の共通信号線５１と画素駆動線５５とを接続する。この状態において、例えば第１の電荷転送信号線５６Ａ及び第２の電荷転送信号線５６ＢをＨレベルとして、第１のＰＤ２１Ａに蓄積した電荷Ｑｐｄ１と第２のＰＤ２１Ｂに蓄積した電荷Ｑｐｄ２をＦＤ部２３に転送して混合する。駆動設定が第１の駆動設定であるため、実効的なＦＤ部の容量値はＣｆｄ＋Ｃとなり、ＦＤ変換ゲインは１／（Ｃｆｄ＋Ｃ）である。
【００６２】
ＦＤ変換ゲインが変更できない場合は、複数のＰＤの電荷を混合して画素信号として読み出す場合に合わせてＦＤ部を設計すると、各ＰＤの電荷を別々に読み出す場合には出力が小さくなる。このため、後段において信号増幅が必要となり、ノイズが増加してしまう。各ＰＤの電荷を個々に読み出す場合に合わせてＦＤ変換ゲインが大きくなるようにＦＤ部を設計すると、複数のＰＤの電荷を混合して読み出す場合に、ＦＤ部の電位変化が大きくなりすぎＦＤ部のレンジを越えることになる。このため、出力の線形性がくずれる等の問題が発生する。しかし、本実施形態の固体撮像装置は、各ＰＤの電荷を別々に読み出す場合と、複数のＰＤの電荷を混合して読み出す場合とにおいてＦＤ変換ゲインを切り替えることができるため、どちらの動作においても最適な画素信号の読み出しができ、低ノイズの固体撮像装置が実現できる。
【００６３】
なお、画素１１に含まれるＰＤの数及び画素信号として読み出す際に電荷を混合するＰＤの数は、任意に変更してかまわない。
【００６４】
（第４の実施形態）
以下に、第４の実施形態について図面を参照して説明する。図８は第４の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイを構成する１つの画素１１と１列分の画素駆動回路１３及びノイズキャンセル回路１４との回路構成を示している。図８において図２と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
【００６５】
図８に示すように本実施形態の固体撮像装置は、ノイズキャンセル回路１４が２系統分設けられている。これにより本実施形態の固体撮像装置は広いダイナミックレンジを実現することができる。
【００６６】
具体的にノイズキャンセル回路１４は、画素信号読み出し端子６０と一方の端子がそれぞれ接続されたトランジスタである第１の入力スイッチ４１Ａと第２の入力スイッチ４１Ｂとを有している。第１の入力スイッチ４１Ａのゲート端子は第１の入力スイッチ線６６Ａと接続され、第２の入力スイッチ４１Ｂのゲート端子は第２の入力スイッチ線６６Ｂと接続されている。
【００６７】
第１の入力スイッチ４１Ａの他方の端子と接地との間には、第１のクランプ容量素子４６Ａと第１のＳＨ容量素子４７Ａとが直列に接続されている。第１のクランプ容量素子４６Ａと第１のＳＨ容量素子４７Ａとが接続されたノードである第１のＳＨ端子６１Ａには、トランジスタである第１のクランプスイッチ４８Ａの一方の端子が接続されている。第１のクランプスイッチ４８Ａの他方の端子はクランプ線６７と接続されており、第１のクランプスイッチ４８Ａのゲート端子は第１のクランプスイッチ線６５Ａと接続されている。
【００６８】
第２の入力スイッチ４１Ｂの他方の端子と接地との間には、第２のクランプ容量素子４６Ｂと第２のＳＨ容量素子４７Ｂとが直列に接続されている。第２のクランプ容量素子４６Ｂと第２のＳＨ容量素子４７Ｂとが接続されたノードである第２のＳＨ端子６１Ｂには、トランジスタである第２のクランプスイッチ４８Ｂの一方の端子が接続されている。第２のクランプスイッチ４８Ｂの他方の端子はクランプ線６７と接続されており、第２のクランプスイッチ４８Ｂのゲート端子は第２のクランプスイッチ線６５Ｂと接続されている。
【００６９】
以下に、本実施形態の固体撮像装置の動作について図面を参照して説明する。図９は本実施形態の固体撮像装置の動作タイミングを示している。図９に示すようにまず、タイミングｔ１において画素リセット信号線５７及び電荷転送信号線５６の電位をＨレベルとして、ＰＤ２１及びＦＤ部２３のリセットを行う。これにより、ＰＤ２１は蓄積電荷０の状態となり、ＦＤ部２３は電位がＶｒｓｔの状態となる。
【００７０】
次に、タイミングｔ２において画素リセット信号線５７及び電荷転送信号線５６の電位をＬレベルとして、ＰＤ２１において電荷の蓄積を開始する。
【００７１】
次に、タイミングｔ３においてＰＤ２１に蓄積された電荷が飽和に達すると、余剰の電荷はオフ状態の転送トランジスタ２２を介してＦＤ部２３に溢れ出し、ＦＤ部２３において電荷が蓄積される。これによりＦＤ部２３の電位が低下する。
【００７２】
次に、タイミングｔ４において電荷蓄積期間を終了し、信号読み出し期間を開始する。具体的に、タイミングｔ４において画素選択信号線５８の電位をＨレベルとすると共に、駆動スイッチ信号線５４の電位をＬレベルとして駆動設定切り替えスイッチ３３を第２の駆動設定とする。これにより第１の共通信号線５１と電流源３５及び画素信号読み出し端子６０とを接続し、第２の共通信号線５２と画素駆動線５５とを接続する。これにより、容量素子２７はＦＤ部として機能しなくなるため、ＦＤ部の実効容量の値は、ＦＤ部２３の寄生容量の値であるＣｆｄとなり、高感度の読み出しが行われる。
【００７３】
さらにタイミングｔ４において、第１の入力スイッチ線６６Ａと第１のクランプスイッチ線６５Ａの電位をＨレベルとする。これにより第１のクランプ容量素子４６Ａの入力側にはＦＤ部２３の電位と対応した画素出力電位が印加され、第１のＳＨ端子６１Ａの電位はクランプ線６７の電位であるクランプ電位Ｖｃｌとなる。
【００７４】
次に、タイミングｔ５において電荷転送信号線５６の電位をＨレベルとし、ＰＤ２１に蓄積された電荷をＦＤ部２３に転送する。これによりＦＤ部２３の電位はΔＶ１だけ低下する。ΔＶ１の値はＰＤ２１に蓄積された電荷がＱｐｄの場合にはＱｐｄ／Ｃｆｄとなる。同時に第１のクランプスイッチ線６５Ａの電位をＬレベルとすることにより、画素ソースフォロアの出力電位の変化に応じて第１のＳＨ端子６１Ａの電位が低下する。
【００７５】
次に、タイミングｔ６において電荷転送信号線５６の電位をＬレベルとし、ＰＤ２１に蓄積された電荷のＦＤ部２３への転送を終了する。しかし、タイミングｔ５において開始した、画素ソースフォロアアンプによるＦＤ部２３の電位変化の出力は継続されるため、最終的に第１のＳＨ端子６１Ａの電位はΔＶ１だけ低下する。
【００７６】
次に、タイミングｔ７において第１の入力スイッチ線６６Ａの電位をＬレベルとすることにより第１のＳＨ端子６１Ａの電位は、第１のＳＨ容量素子４７ＡによってＶｃｌ−ΔＶ１の電位を保持する。同時に駆動スイッチ信号線５４の電位をＬレベルとし、駆動設定切り替えスイッチ３３を第１の駆動設定とする。これにより第２の共通信号線５２と電流源３５及び画素信号読み出し端子６０とを接続し、第１の共通信号線５１と画素駆動線５５とを接続する。これにより、容量素子２７がＦＤ部として機能するため、ＦＤ部の実効容量の値は、ＦＤ部２３の寄生容量の値であるＣｆｄと容量素子２７の容量値Ｃとの和であるＣｆｄ＋Ｃとなり、第２の駆動設定と比べて低感度の読み出しが行われる。
【００７７】
タイミングｔ７においては、さらに第２の入力スイッチ線６６Ｂと第２のクランプスイッチ線６５Ｂの電位をＨレベルとする。これにより第２のクランプ容量素子４６Ｂの入力側には、ＰＤ２１に蓄積された電荷とＦＤ部２３に蓄積された電荷とに対応した画素出力電位が印加される。また、第２のＳＨ端子６１Ｂの電位はクランプ電位Ｖｃｌとなる。
【００７８】
次に、タイミングｔ８において画素リセット信号線５７の電位をＨレベルとし、ＦＤ部２３の電位をリセット電位Ｖｒｓｔに設定する。これによりＦＤ部２３の電位はΔＶ２だけ上昇する。ΔＶ２の値は、ＰＤ２１に蓄積された電荷がＱｐｄであり、ＦＤ部２３に蓄積された電荷がＱｆｄの場合には、Ｑｐｄ＋Ｑｆｄ）／（Ｃｆｄ＋Ｃ）となる。同時に、第２のクランプスイッチ線６５Ｂの電位をＬレベルとすることにより、第２のＳＨ端子６１Ｂの電位が画素出力電位の変化に応じて上昇する。
【００７９】
次に、タイミングｔ９において画素リセット信号線５７の電位をＬレベルとし、ＦＤ部２３のリセットを終了する。しかし、タイミングｔ８において開始した、画素ソースフォロアアンプによるＦＤ部２３の電位変化の出力は継続されるため、最終的に第２のＳＨ端子６１Ｂの電位はΔＶ２だけ上昇し、第２のＳＨ容量素子４７ＢにはＶｃｌ＋ΔＶ２の電位が保持される。後段においてΔＶ１とΔＶ２を検出し合成すれば、広いダイナミックレンジの信号を得ることができる。
【００８０】
本実施形態の固体撮像装置によれば、少量の電荷Ｑｐｄを読み出すときにはＦＤ変換ゲインを大きく、大量の電荷（Ｑｐｄ＋Ｑｆｄ）を読み出すときにはＦＤ変換ゲインを小さくする。これにより広いダイナミックレンジの信号を低ノイズに得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明に係る固体撮像装置は、同一フレーム内の画素間又は異なるフレーム間において生成される電荷量が大きく変動する場合においても低ノイズの信号読み出しが可能であり且つ回路構成が複雑化することがない固体撮像装置を実現でき、電荷の読み出しノイズが小さい固体撮像素子等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の要部を示す回路図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置を示す回路図であり、（ａ）は第１の駆動設定を示す回路図であり、（ｂ）は第２の駆動設定を示す回路図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の他の例を示す回路図である。実施の形態１における他の画素構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置を示すブロック図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の要部を示す回路図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の要部を示す回路図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００８３】
１０      画素アレイ
１１      画素
１２      垂直シフトレジスタ
１３      画素駆動回路
１４      ノイズキャンセル回路
１５      マルチプレクサ
１６      水平シフトレジスタ
１７      出力アンプ
２１      フォトダイオード
２１Ａ    第１のフォトダイオード
２１Ｂ    第２のフォトダイオード
２１Ｃ    第３のフォトダイオード
２１Ｄ    第４のフォトダイオード
２２      転送トランジスタ
２２Ａ    第１の転送トランジスタ
２２Ｂ    第２の転送トランジスタ
２２Ｃ    第３の転送トランジスタ
２２Ｄ    第４の転送トランジスタ
２３      フローティングディフュージョン部
２４      リセットトランジスタ
２５      読み出しトランジスタ
２６      選択トランジスタ
２７      容量素子
３３      駆動設定切り替えスイッチ
３５      電流源
４１Ａ    第１の入力スイッチ
４１Ｂ    第２の入力スイッチ
４６      クランプ容量素子
４６Ａ    第１のクランプ容量素子
４６Ｂ    第２のクランプ容量素子
４７      サンプルホールド容量素子
４７Ａ    第１のサンプルホールド容量素子
４７Ｂ    第２のサンプルホールド容量素子
４８      クランプスイッチ
４８Ａ    第１のクランプスイッチ
４８Ｂ    第２のクランプスイッチ
５１      第１の共通信号線
５２      第２の共通信号線
５４      駆動スイッチ信号線
５５      画素駆動線
５６      電荷転送信号線
５６Ａ    第１の電荷転送信号線
５６Ｂ    第２の電荷転送信号線
５６Ｃ    第３の電荷転送信号線
５６Ｄ    第４の電荷転送信号線
５７      画素リセット信号線
５８      画素選択信号線
５９      リセット線
６０      画素信号読み出し端子
６１      サンプルホールド端子
６１Ａ    第１のサンプルホールド端子
６１Ｂ    第２のサンプルホールド端子
６５      クランプスイッチ線
６５Ａ    第１のクランプスイッチ線
６５Ｂ    第２のクランプスイッチ線
６６Ａ    第１の入力スイッチ線
６６Ｂ    第２の入力スイッチ線
６７      クランプ線
７０      周辺回路
７１      処理部
７２      アナログデジタル変換器
７３      積算部
７４      駆動制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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